大型活塞式压缩机关键件疲劳寿命分析

摘要

本文针对大型活塞式压缩机关键零部件如曲轴、连杆和十字头等在工作过程中易发生疲劳失效的问题，以某大型活塞式压缩机曲轴连杆机构（包括曲轴、连杆和十字头）为对象，分别从模态分析、疲劳寿命计算、疲劳寿命特性分析和疲劳试验设计四个方面系统研究了其疲劳寿命。 首先，为了判断曲轴连杆机构的固有频率是否会与压缩机驱动频率重叠而发生共振现象，对曲轴连杆机构装配体模型进行了有限元模态分析。结果表明，曲轴连杆机构的一阶固有频率为328.86Hz，远大于压缩机的驱动频率16Hz，由此判定在工作时，曲轴连杆机构与整机不会发生共振现象，从而从系统的角度初步验证了关键件的可靠性。 随后，采用有限元法分别对曲轴组件、连杆组件和十字头组件进行了一个运转周期内的6个曲轴转角下的静力学分析，并在此基础上使用S-N模型对其进行了疲劳计算，得到了曲轴连杆机构的疲劳寿命及疲劳薄弱位置。结果表明，曲轴连杆机构各部件均满足静强度要求，应力集中位置和疲劳薄弱位置均与经验结论相符，形成了一套较为高效和精确的大型活塞式压缩机关键件疲劳寿命计算流程。 在上述研究基础上，继续采用有限元法，分别从工艺方面和结构方面研究了关键件的疲劳特性。首先以曲轴为对象，研究了材料强度和表面加工工艺对其疲劳特性的影响，结果表明，选取高强度的材料制造曲轴和细化曲轴表面加工工艺均能够有效提高疲劳寿命。其次，针对在静力学分析中出现的连杆螺栓头下圆角应力集中现象，提出采用椭圆角代替传统圆角作为螺栓头下圆角结构，并研究了椭圆角结构参数对圆角应力集中和疲劳寿命的影响,从而为工程中关键件的抗疲劳设计提供理论指导。 最后，针对连杆轴瓦在工作过程中易磨损失效且其寿命不宜采用力学方法计算的问题，设计了一套适用于大型活塞式压缩机连杆轴瓦（包括连杆大头轴瓦和小头衬套）的磨损试验方案，通过在线监测和离线试验相结合，为研究大型活塞式压缩机连杆轴瓦运行工况与磨损、寿命之间的关系提供测试方法指导。

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